JPH04225154A - 電気化学式ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気化学式ガスセンサ
素子に関し、詳しくは検知ガスが透過する絶縁基板に作
用極、対極及び参照極が設けられ、これらの電極と電極
間の絶縁基板を覆う固体電解質膜が設けられてなる電気
化学式ガスセンサ素子であって、酸化還元反応を利用し
て特定のガス成分を検出するものである。

【０００２】

【従来の技術】酸化還元反応を電気化学的に利用して、
雰囲気中のガス、例えば一酸化炭素、水素、アルコール
、窒素酸化物、硫黄酸化物等を検出する電気化学式ガス
センサは、これまでに数多く提案されている。一般的に
、この種のガスセンサーは、高い感度を有していること
から、工業用のガス濃度検出器の分野において利用され
ている。

【０００３】従来の電気化学式ガスセンサの検出機構を
電極構成面から説明すると、硫酸等の電解液を満たした
セルの対向する内壁の一方には作用極、他方には対極と
参照極を設けたものや上記の電解液に代えて固体電解質
膜を用いたものがあり、この構成は、特開昭５３−１１
５２９３号に開示されている。これに対して１枚の絶縁
基板上に、作用極、対極及びこの作用極に対する基準電
位としての働きをする参照極の３種の電極を並べて形成
し、さらにこれらの電極と電極間の絶縁基板をスルホン
化パーフルオロカーボン等の高分子の固体電解質膜で覆
った電気化学式ガスセンサ素子は、特開平１−１５６６
５７号公報に開示され、この種の電気化学式ガスセンサ
素子は、プレーナ型センサ素子とも呼ばれ、特に薄膜形
成技術や微細加工技術を用いて、極めて小型かつ精密で
品質性能の優れたセンサ素子として期待されている。

【０００４】ところが、検知ガスが透過する絶縁基板に
作用極、対極及び参照極が設けられ、これらの電極と電
極間の絶縁基板を覆う固体電解質膜が設けられてなる電
気化学式ガスセンサ素子は、センサ素子を小型化するに
つれて、必然的に全体的な電極面積が小さくなる結果、
酸化還元電位の変化が小さくなり、検出感度が低下する
問題がある。この問題を解決するために、検知ガスが接
触する固体電解質膜内を拡散して作用極に到達する当該
検知ガス量を増加させる目的で、厚みの薄い固体電解質
膜を採用しても、固体電解質膜のインピーダンスが増大
し、その結果作用極上で検知ガスが反応することによっ
て生ずるイオンの移動が小さくなり、これによって感度
低下をきたす。そこで、感度と直接関係する固体電解質
膜内の検知ガスの拡散経路を短縮して感度を高めるため
に、検知ガスを絶縁基板に接触するように配置したセン
サ素子では、特に電極の電極性能の高低によって、感度
が決定される。すなわち、電極性能を高めるために、２
次元的に面積を増やすと、センサ素子が大きくなり、本
来の目的に合わない。

【０００５】このように、センサ出力が小さくなり、微
小な検知信号しか得られないと、検知信号を処理する検
出回路にかかる負担が大きくなり、ガス検出装置全体の
構造の複雑化やコストアップを招くことになり、絶縁基
板に作用極、対極及び参照極等の電極が設けられ、これ
らの電極と電極間の絶縁基板を覆う固体電解質膜が設け
られてなる電気化学式ガスセンサ素子を採用したことに
よる小型化や生産性の向上効果等が十分に発揮されない
。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
が解決する課題は、絶縁基板に作用極、対極及び参照極
等の電極が設けられ、これらの電極と電極間の絶縁基板
を覆う固体電解質膜が設けられてなる電気化学式ガスセ
ンサ素子を採用したことによる小型化や生産性の向上効
果等の利点を有して、かつセンサ出力すなわちセンサ感
度の高い電気化学式ガスセンサ素子を提供する点にある
。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁基板に作
用極を含む複数の電極が設けられるとともにこの作用極
を覆う固体電解質膜が上記の絶縁基板に形成された電気
化学式ガスセンサ素子において、上記の絶縁基板は作用
極側の面に向かって検知ガスが透過する性質を有し、か
つ作用極の表面に電導性を有する微粒子が付着されてい
る点を特徴とするものである。

【０００８】以下、本発明を図面に基づいて説明する。 図１は、本発明の一実施例に係る電気化学式ガスセンサ
素子を示した断面斜視図で、図２は、図１のＸ−Ｙ断面
を模式化して示した断面図であり、図３は図２のさらに
拡大して示した断面図である。

【０００９】図１、図２及び図３において、絶縁基板１
は、検知ガスが接触する表面から裏面に向かってこの検
知ガスが拡散しながら透過する細孔１ａを無数に有する
アルミナ基板や異方性エッチング等の微細加工により細
孔を設け、絶縁処理を施したシリコン基板等が用いられ
る。この細孔１ａは、一定の径にする必要もなく、数１
００μｍ以下が適当である。また、細孔１ａの方向につ
いても特定するものではなく、要はガスの拡散を促進す
る働きをするものが好ましい。

【００１０】上記の絶縁基板１の裏面には、透過した検
知ガスの存在によって酸化還元反応を励起する作用極２
、この作用極２における反応と対を成す酸化還元反応が
発生する対極３及び作用極２の酸化還元反応の基準電位
として機能する参照極４が設けられている。これらの電
極は、白金あるいは金等、通常の各種電極材料を真空蒸
着法やスパッタリング法等により形成される。通常、作
用極２と対極３は白金が好ましく、参照極４には金が好
ましい。その他の電極材料を組み合わせて用いることも
勿論可能である。

【００１１】上記の作用極２の表面には、微粒子６が無
数付着されている。この微粒子６には、電導性を有する
材料が限定的に適用され、例えば前記電極材料と同種の
金、白金等が用いられる。すなわち、この微粒子６の形
成によって、酸化還元反応の励起が促進され、検知ガス
感度の向上に有効である。なお、微粒子６を付着させる
には、例えば作用極２の表面に対して、スパッタリング
や電子ビーム蒸着等の膜形成手段を用いて、作用極２の
電極形成の場合のパワーよりも低いパワーで行うと、作
用極２の表面に付着された無数の微粒子６が分布し、そ
の結果多孔質の表面層７が形成される。微粒子６の付着
させる他の方法として一例をあげると、塩化白金酸や塩
化金酸等の電解質溶液を用いて、これらの金属元素が析
出する条件でもって、付着形成してもよい。一般に、微
粒子の粒径が小さく分布密度が高い程、表面積が大きく
なり、検知ガスに対する感度を向上させることができる
。なお、この微粒子６は、検知ガスの電気化学反応に直
接関係する作用極２に形成した場合に、センサ感度の向
上に最も効果的であるが、対極３や参照極４に微粒子を
形成することを排除するものではない。また、作用極２
の表面全体を微粒子で覆ってもよいし、電気化学反応に
あまり寄与しない部分等、一部に微粒子の形成されてい
ない箇所を設けてもよい。

【００１２】上記の微粒子６が付着した作用極２、対極
３及び参照極４並びにこれらの電極間に露出する絶縁基
板１の区域は、固体電解質膜５で覆われている。この固
体電解質膜５は、例えばスルホン化パーフルオロカーボ
ン、その他極性の高い高分子化合物が用いられ、膜の形
成手段は例えばソリュウションキャスト法などが用いら
れる。

【００１３】このように、検知ガスの透過性を有する絶
縁基板１とこの絶縁基板１に形成された複数の電極２、
３、４と上記の固体電解質膜５とからなる電気化学式セ
ンサ素子８は、気密性を有するハウジング９内に収容さ
れ、固体電解質膜５内に与えられた水分は、このハウジ
ング９によって蒸発が阻止され、保水される。

【００１４】

【作用】絶縁基板１に形成された作用極２の表面に微粒
子６を付着させると、作用極２の平滑な表面に比べて表
面積が増大し、検知ガスの電気化学反応に関与する電極
面積が増えることになるので、電気化学反応に伴って流
れる電流値が大きくなり、センサ感度が向上する。した
がって、作用極２の表面に電導性を有する微粒子６を付
着させることにより、作用極２の寸法は同じでもセンサ
感度は大幅に向上することになり、また同じセンサ感度
でよければ、作用極２、ひいてはセンサ全体を小型化す
ることができる。

【００１５】

【実施例１】絶縁基板１には、ポーラスアルミナ基板を
用い、この絶縁基板１の同一面に平滑な表面を有する作
用極２、対極３及び参照極４を高周波スパッタリング法
により形成した。作用極２及び対極３は白金を用い、参
照極４は金を用いた。そしてこの作用極２の平滑な表面
に下記の条件で高周波スパッタリング法を用いて白金の
微粒子６を付着させ、さらに固体電解質膜５としては、
スルホン化パーフルオロカーボン（商品名：Ｎａｆｉｏ
ｎ　　デュポン社製）を用い電気化学式ガスセンサ素子
とした。スパッタリング時の圧力　　　　１．０×１０
−１ｔｏｒｒ 基板温度　　　　　　　　　　　　　　　　　　水冷ス
パッタパワー　　　　　　　　　　　　１０ｗ

【００１
６】

【実施例２】実施例１と同一の条件で高周波スパッタリ
ング法により、ポーラスアルミナ基板の絶縁基板１の上
に平滑な表面を有する作用極２、対極３及び参照極４を
形成した。作用極２と対極３には白金を用い、参照極４
には金を用いた。作用極２の表面に電気鍍金法を用い塩
化白金酸水溶液から白金を析出させて微粒子６とした。 そして実施例１と同一のスルホン化パーフルオロカーボ
ンから成る固体電解質膜５を形成して電気化学式ガスセ
ンサ素子とした。

【００１７】

【比較例１】実施例１と同一の条件で高周波スパッタリ
ング法により、ポーラスアルミナ基板の絶縁基板１の上
に平滑な表面を有する作用極２、対極３及び参照極４を
形成した。そして実施例１と同一のスルホン化パーフル
オロカーボンから成る固体電解質膜をこれらの電極上に
直に形成した。

【００１８】以上の実施例１、実施例２と比較例１の電
気化学ガスセンサ素子８の一酸化炭素に対するガス感度
特性を参照極４に対して作用極２の電圧を０．４０ｖに
設定し、かつ１００ｐｐｍの雰囲気中で測定した結果、
図４と図５に示した実施例１と実施例２の電気化学式ガ
スセンサ素子８の電流値と、図６に示した比較例１の電
気化学式センサ素子の電流値との比較で明らかな通り、
出力電流値が増大し感度が飛躍的に向上していることが
確認できる。なお、図面中のｔは検知ガスの検出に要し
た応答時間である。

【００１９】

【発明の効果】この発明に係る電気化学式ガスセンサ素
子によると、作用極に到達する検知ガスの電気化学反応
に関与する作用極の反応面積を増大させることができる
ので、センサの感度を高めることができ、その結果、検
知回路等に負担をかけずに高性能化することができ、同
一のセンサ感度でよければ、より小型化ができ又コスト
の低減にも貢献できる。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る電気化学式ガスセンサ
素子をハウジングに収容した状態の断面斜視図である。

【図２】図１のＸ−Ｙ断面を模式化して示した断面図で
ある。

【図３】図２の要部をさらに拡大して示した断面図であ
る。

【図４】実施例１の電気化学式ガスセンサ素子のガス感
度特性を出力電流値で示したグラフである。

【図５】実施例２の電気化学式ガスセンサ素子のガス感
度特性を出力電流値で示したグラフである。

【図６】比較例１の電気化学式ガスセンサ素子のガス感
度特性を出力電流値で示したグラフである。

【符号の説明】

１　　絶縁基板 ２　　作用極 ３　　対極 ４　　参照極 ５　　固体電解質膜 ６　　微粒子 ７　　表面層 ８　　電気化学式ガスセンサ素子 ９　　ハウジング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁基板に作用極を含む複数の電極が
   設けられると共にこの作用極を覆う固体電解質膜が上記
   の絶縁基板に形成された電気化学式ガスセンサ素子にお
   いて、上記の絶縁基板は作用極側の面に向かって検知ガ
   スが透過する性質を有し、かつ作用極の表面に電導性を
   有する微粒子が付着されていることを特徴とする電気化
   学式ガスセンサ素子。
2. 【請求項２】　　請求項１の微粒子が、金又は白金であ
   る請求項１の電気化学式ガスセンサ素子。